专利名称：：磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置的制作方法
技术领域：
：本发明的磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，属于磁悬浮
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背景技术：
：和传统轴承相比，磁悬浮轴承与转子无接触，支承功耗小，使用寿命长；不需要润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中；维护费用低、便于主动控制等等，因而被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。磁悬浮轴承主要用于刚性转子系统，由于旋转机械转子高速、重载、细长发展的要求，现正逐步扩展到柔性转子系统。但是，国内外相关研究结果表明，将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统存在着较大的困难。主要原因是磁悬浮轴承的等效刚度及等效阻尼受控制参数稳定区域的限制，一般比动压滑动轴承小23个数量级。在系统接近或越过弯曲临界转速时，因阻尼过小，转子振幅过大，容易导致系统破坏。因此，针对柔性转子系统的研究一直是该
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的热点和难点。为了减小磁悬浮轴承转子系统的振动，国内外许多文献从两方面进行了研究。一是采取同步振动抑制技术，二是运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计控制方案以提高支承阻尼。但是，同步振动抑制技术难以解决实际柔性转子系统的不平衡振动问题。这是由于转子在亚临界及超临界状态将产生弯曲变形，不平衡质量所引起的振动与转子弯曲变形状态有关，远比刚性转子系统复杂，因而目前同步振动抑制技术主要针对刚性转子系统。国内外一些研究结果表明，运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计合适的控制方案可以改善系统的动态性能，但目前尚不能做到大幅度提高系统在亚临界及超临界运行时的支承阻尼，而且研究对象多为实验系统，实际应用不多。2000年轴承制造著名企业日本"光洋株式会社"研发中心研究人员HirochikaUeyama在瑞士举办的第7届磁悬浮轴承国际会议上发文认为，"尽管一些公开文献表明，釆用现代控制理论(LQG、H、A理论等)能够解决这个问题，但这仍然是一个具有挑战性问题。为了避免这个问题，相关实际应用项目采用刚性转子结构"(HirochikaUeyama,HeliumColdCompressorwithActiveMagneticBearings,Proc.ofthe7'hInt.Symp.onMagneticBearings,Zurich,Switzerland,August2000，1~6)。
发明内容本发明的目的，在于将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统，即提供一种振动幅度小、能安全稳定越过弯曲临界转速的磁悬浮高速旋转系统装置。一种磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，包括转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机，其中径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座支撑，其特征在于所述径向磁悬浮轴承座通过金属橡胶环由金属橡胶环座支撑。一般磁悬浮轴承转子系统主要由转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机组成。在合适控制参数作用下，磁悬浮轴承对转子产生合适的支承刚度与支承阻尼以支承转子。由于控制参数稳定区域有限，磁悬浮轴承支承阻尼的选择受到限制。本发明装置在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上，将径向磁悬浮轴承支承在具有合适支承刚度与支承阻尼的金属橡胶环上。这种组合支承型式可明显降低转子越过弯曲临界转速时的振动。其中支撑刚度及支撑阻尼通过有限元分析、试验模态分析及实际系统的高速旋转实验等方法确定。磁悬浮轴承与转子无接触，具有传统轴承无可比拟的优点。但在前述中提到，目前这种支承型式所能提供的阻尼较小，不易满足实际柔性转子系统的需要。而传统轴承、挤压油膜阻尼器等一般需要润滑、冷却等环节，造成系统体积及重量增加，可靠性降低；同时也不适合超高转速、高温、高压、高真空、超低温等特殊工作环200810155135.X说明书第3/7页境或条件。金属橡胶材料及制备方法是现有技术。它是一种均质的弹性多孔材料，是用一定的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压或者碾制的方法成型的。这种材料既具有所选金属的固有特性(耐高低温、抗腐蚀等)，又具有普通橡胶的弹性。釆用金属橡胶制成的隔振器具有很高的动静态强度，在高真空、高低温条件下能正常工作，而且保存期不受限制，从而克服了橡胶隔振器随时间老化这一致命弱点，其阻尼比可达0.35。是解决高温、高压、高真空、超低温等特殊环境下阻尼减振这一难题的新型阻尼装置。但金属橡胶减振装置与被减振对象有接触，不适合支承高速旋转的转子。为了克服单一支承型式的固有缺点，本发明提出将磁悬浮轴承支承在金属橡胶环上，构成磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承组件。该支承组件可以克服单一支承型式的固有缺点，充分发挥磁悬浮轴承和金属橡胶环各自的优点，既保持支承的无接触性、主动可控性，同时使支承具有较好的阻尼性能。通过改进磁悬浮轴承的控制技术，并利用金属橡胶环产生的附加阻尼，可以降低转子的振幅，提高系统的稳定性，减轻磁轴承为抑制转子振动所付出的代价，使磁悬浮转子能够安全稳定越过系统的弯曲临界转速。另外磁悬浮轴承和金属橡胶均能够在50(/C高温下工作，这种组合支承型式可以解决高温、高压、高真空、超低温等特殊工作环境或条件对传统支承型式的限制。图1为组合支承装置的机械结构图。图1中标号名称1为轴向传感器组件(两端)，2、7为径向组合支承组件(含金属橡胶环、磁悬浮轴承及径向传感器)，3为基座，4为轴向磁悬浮轴承组件，5为高频电机组件，6为转子组件。图2为径向组合支承组件结构图。图2中标号名称7为径向传感器，8为径向磁悬浮轴承座，9为金属橡胶环座，IO为金属橡胶环，ll为径向磁轴承，12为保护轴承。图3为组合支承高速旋转系统装置激振实验所得原点频响函数。图3中标号名称Linel、LineS为第S节点原点频响函数相频图、幅频图，Line2、Line4为第10节点原5点频响函数相频图、幅频图。图4为组合支承高速旋转系统装置激振实验所得跨点频响函数。图4中标号名称Line5、Line7为第6节点对第l0节点跨点频响函数相频图、幅频图，Line6、Line8为第10节点对第6节点跨点频响函数相频图、幅频图。图5为组合支承高速旋转系统装置激振实验所得前3阶振型图。图6为距右端径向组合支承组件(参见图l)对称中心157mm(第W节点)处转子不平衡响应的分析结果。图7为距右端径向组合支承组件(参见图l)对称中心157mm(第57节点)处转子同频振动的实测结果。具体实施例方式结合图l所示，本发明装置包括轴向传感器组件l(两端)，径向磁轴承与金属橡胶环组合支承组件2、7,基座3，轴向磁轴承组件4，高频电机组件5，转子组件6。本发明装置在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上，改进了径向磁悬浮轴承结构，在径向磁悬浮轴承外包围一层合适的金属橡胶环。为了保证接触可靠，可将磁悬浮轴承与金属橡胶环置于同一个机座腔内，具体结构如图2。径向磁悬浮轴承结构参数如表l:表1径向磁悬浮轴承结构参数<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>轴向磁悬浮轴承结构参数如表2:表2轴向磁悬浮轴承结构参数<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>磁悬浮轴承控制参数如表3:表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>系统试验模态分析建立磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置(图1)(注拆除金属橡胶环即为一般磁悬浮轴承高速旋转系统装置)。转子在上述参数下稳定悬浮，通过激振实验，可获得系统模态频率、模态阻尼、模态振型等动态性能参数，预测系统的运行状况。在转子上布置12个激振点与2个拾振点，采用多参考点锤击法分析含或不含金属橡胶环系统装置的动态性能。2个拾振点分别为第6、10点。实验采用法国0R0S公司的OR34四通道动态信号测试分析仪、美国PCB公司的力锤及ICP加速度传感器。数据分析采用南京航空航天大学"动态测试与分析中心"开发的模态分析软件。对磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置进行激振实验中，可获得原点、跨点频响函数分别如图3、图4所示。由图4可知实验结果精确度较高。对一般磁悬浮轴承高速旋转系统装置进行激振实验所得原点、跨点频响函数与图3、图4类似。通过复模态指示因子法等方法，可获得两种系统装置前3阶模态频率如表5,前3阶模态阻尼如表6。由表6可以看出，增加金属橡胶环后，系统在第一阶弯曲模态频率处的模态阻尼明显增加，有利于系统越过弯曲临界转速。表5各阶模态频率(Hz)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>系统理论分析当系统可近似看作线性系统时，转子各节点振动相似，相位相同。因此可通过分析转子某一节点(非振型节点)的振动获得转子的整体振动情况。将转子简化为具有n个集总质量及集总转动惯量的节点模型。各节点间用不同的无质量等截面弹性轴段来连接。对系统进行不平衡响应的分析，必须已知转子不平衡量的大小及其分布规律。然而对一个转子而言，这些量却是未知的。因此不平衡响应的分析主要用于研究转子对在某些位置上不平衡量的敏感程度，或者在给定不平衡量情况下，通过计算在不同转速下的不平衡响应，来确定转子的临界转速。假设各节点的不平衡量e,.分布在同一个平面上，且有~.=5><10—6(m)。在上述控制参数下，采用MATLAB软件对含或不含金属橡胶环系统装置进行分析。距右端径向组合支承组件(参见图1)对称中心157mm(第57节点)处转子不平衡响应的分析结果如图6所示(可与高速旋转实验结果进行对比)。由图6可以看出，增加金属橡胶环可以明显降低转子在第一阶弯曲固有频率(约60Hz)处的振动，保证系统平稳越过第一阶弯曲临界转速。系统高速旋转实验参数与前述相同，在含或不含金属橡胶环两种状态下，将转子稳定悬浮，并通过内置高频电机带动转子由Or/rain稳定运行至7800r/min(130Hz)。系统运行过程中，转子实际转速由光电传感器测量，转子的同频振动由35670A动态信号分析仪根据电涡流传感器输出实时获得。电涡流传感器的灵敏度为6xlO—5m/V。在距右端径向组合支承组件(参见图1)对称中心157mm(第57节点)处布置电涡流传感器，测得该位置转子的同频振动随转速变化如图7所示。由图7可以看出增加金属橡胶环后，转子在60Hz附近(第一阶弯曲模态频率处)的振动明显降低。这说明增加金属橡胶环提高了系统的动态性能，有利于系统安全稳定越过第一阶弯曲临界转速。权利要求1、一种磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，包括转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机，其中径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座支撑，其特征在于:所述径向磁悬浮轴承座通过金属橡胶环由金属橡胶环座支撑。全文摘要一种磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，属于磁悬浮
技术领域：
。包括转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机，其中径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座支撑，其特征在于所述径向磁悬浮轴承座通过金属橡胶环由金属橡胶环座支撑。本发明的磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承组件，可以有效降低转子在越过第一阶弯曲模态频率时的振动，提高系统的动态性能。这一技术方案简单易行，效果好。旋转机械转子高速、重载、细长发展的要求，使机械的动力学问题日益突出，本发明的研究结果能为解决相关实际问题提供思路与借鉴。文档编号F16C32/04GK101382168SQ20081015513公开日2009年3月11日申请日期2008年10月15日优先权日2008年10月15日发明者徐龙祥,朱如鹏,谢振宇,黄佩珍申请人:南京航空航天大学